Darrieus垂直轴风力机叶片螺旋变异优化研究

发布时间：2017-11-23 17:36

  本文关键词：Darrieus垂直轴风力机叶片螺旋变异优化研究

  更多相关文章： Darrieus风力机 螺旋扭曲 CFD 动转矩 动转矩系数周期标准差 模态分析

【摘要】：近些年来,日益严重的能源危机促使了新能源的快速发展,风能是一种清洁的可再生能源,其无污染、分布范围广、储存量丰富等优点使其日益得到关注,风力发电已成为快速发展的朝阳行业。Darrieus垂直轴风力机凭借其良好的空气动力学性能,以及启动风速低、噪声低、不受风向限制、无需偏航装置、安装和维护容易、维修费用低等诸多优点在中小型风力发电领域逐渐得到广泛的应用和普及。但其也有一些不足之处,针对Darrieus直叶片垂直轴风力机在运行过程中出现叶片动转矩周期波动性大,动转矩曲线震荡剧烈,造成对风轮旋转主轴强烈冲击,风力机功率输出不稳定等问题,本文对传统的Darrieus风力机直叶片进行变异优化设计,论文研究的主要内容如下：首先,为了改善风力机叶片的动转矩输出性能,本文提出对Darrieus垂直轴风力机传统直叶片进行螺旋扭曲变异设计,添加新的叶片结构参数螺旋扭曲角,并结合风轮实度、叶尖速比等结构参数完成初始参数的设定,利用Matlab矩阵运算功能并结合Solidworks曲线特征建模特点完成对风力机变异叶片的参数化三维模型建立。其次,探寻风力机风轮系统的数值模拟方法,在ANSYS Workbench中构建数值模拟仿真体系,在ICEM CFD中实现对风力机风轮模型和风场模型的网格划分,利用FLUENT对变异Darrieus风力机风轮叶片的旋转运动进行动态模拟仿真计算,并在CFD-Post中完成对计算结果的后处理,提取后文分析所需的数据及流场细节特征。再次,安排单因素试验研究螺旋扭曲角对叶片动转矩输出性能的影响,综合评价风力机叶片输出的动转矩曲线变化、动转矩周期标准差以及平均动转矩等指标,分析和对比不同螺旋扭曲角下叶片的动转矩输出性能,验证了螺旋扭曲策略的合理性,并确定一个合理的螺旋扭曲角分布范围。然后,利用多因素正交试验法对风轮叶片不同结构参数进行合理的试验安排,通过综合分析和对比叶片螺旋扭曲角、风轮实度、叶尖速比等结构参数对叶片动转矩系数变化、动转矩系数周期标准差、平均动转矩系数和功率系数的影响程度和影响规律,最终确定风力机叶片各结构参数的优化分布区间；结合叶片附近的流场特征情况,探讨各结构参数对于动转矩输出性能的影响原因。最后,研究Darrieus风力机变异风轮的振动特性,对变异风轮结构进行模态分析,得到变异叶片与风轮其他构件耦合后的固有频率及相应振型变化规律；研究不同转速运行下风轮的固有频率变化规律,求解出临界转速点,给系统转速的控制提供依据,计算结果表明变异风轮的额定工作转速在临界转速12%的范围之外,不易发生共振。本文通过对叶片采用合理的螺旋扭曲变异设计,大幅降低了叶片动转矩周期波动性,提高了平均动转矩水平,达到改善风轮叶片的动转矩输出性能的目标；研究过程中得到的试验数据和分析结果可为工程中风力机叶片的优化设计提供一些数据支持,以及各结构参数对叶片动转矩输出性能的影响原因分析也可为后续的研究提供一些理论支持。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315

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